一种磁耦合谐振式频率检测装置及频率检测方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107817045A(43)申请公布日2018.03.20(21)申请号201711231654.5(22)申请日2017.11.28(71)申请人吉林大学地址130000吉林省长春市前进大街2699号(72)发明人王东方万胜来杜旭郑果文夏操马文瑞田利峰杨旭刘欣王昕(74)专利代理机构吉林长春新纪元专利代理有限责任公司22100代理人魏征骥(51)Int.Cl.G01H11/06(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图6页(54)发明名称一种磁耦合谐振式频率检测装置及频率检测方法(57)摘要本发明提供一种磁耦合谐振式频率检测装置及频率检测方法，属于精密传感器领域。Z轴调整装置和激振装置均固定在底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁性材料通过主动梁表面的中间结合层和主动梁固定在一起，被动梁单元包括前端导体开口回路、被动梁梁身、上电极和下电极，应力应变敏感膜、侧电极和输出端子，主动梁单元和被动梁单元构成磁耦合同步共振结构，侧电极和应力应变膜的电极均能实现检测信号的输出。本发明基于磁耦合同步共振，具有高灵敏度，高分辨率的特点，并能减少相位噪声，自由调整量程和放大倍数，具有良好的互换性，在匹配识别，物联网传感网络等领域有着潜在的用途和重大应用前景。CN107817045ACN107817045A权利要求书1/2页1.一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：Z轴调整装置为精密压电陶瓷滑台，激振装置为PZT激振台，两者均固定在超水平不锈钢底座上，主动梁单元固定在激振装置上，主动梁单元的磁体阵列通过主动梁表面的中间结合层和主动梁梁身固定在一起；被动梁梁身上部弯折成L型并固定在Z轴调整装置上端部的直角表面，被动梁单元固定后不与主动梁单元接触。2.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：所述被动梁单元结构是：前端导体开口回路为中部开口的铜制矩形，固定在被动梁梁身的自由端，前端导体开口回路不封闭，在固定部位形成窄断口，断口部分形成一个平行板电容器；被动梁梁身为普通悬臂梁，上部弯折形成L型，固定在Z轴调整装置的上表面；下电极通过微纳加工方法沉积在被动梁梁身表面，上电极、应力应变敏感膜和下电极形成三明治结构，应力应变敏感膜采用压电薄膜，上电极、应力应变敏感膜和下电极随被动梁梁身弯折，侧电极一和侧电极二一端分别与前端导体开口回路的两个开口端固定在一起，侧电极一和侧电极二侧面分别通过绝缘材料固定在被动梁梁身侧表面，侧电极一和侧电极二另一端弯折成L型通过绝缘材料分别固定在上电极表面；上电极输出端子、下电极输出端子、侧电极一输出端子、侧电极二输出端子分别固定在上电极、下电极、侧电极一和侧电极二表面。3.根据权利要求2所述的一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：所述前端导体开口回路还包括中部开口的铜制圆形、摆线型。4.根据权利要求1所述的一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：所述主动梁单元包括主动、中间结合层和磁体阵列，所述主动梁为普通悬臂梁，磁体阵列是34块钕铁硼永磁体形成的阵列，通过中间结合层均布在主动梁上下表面，各永磁体的充磁方向均为Z向。5.根据权利要求4所述的一种磁耦合谐振式频率检测装置，其特征在于：所述主动梁的形式包括而不限于悬臂梁、双端固支梁、简支梁，形状包括而不限于矩形梁、C型梁、T型梁。6.一种采用如权利要求1所述的磁耦合谐振式频率检测装置的频率检测方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)、将示波器a的输入端口和下电极输出端子以及上电极输出端子相连，将另一个示波器b的输入端口和侧电极一输出端子以及侧电极二输出端子相连；(2)、主动梁单元被激振装置激励，以频率ω1振动；(3)、当待测物理量被施加在主动梁单元端部后，主动梁单元振动频率会发生变化，主动梁单元振动频率记为ω2，频率变化量记为ωc；(4)、通过示波器a和示波器b的傅里叶变换得到两路待测信号的频率，分别记为ω3和ω4；(5)、其中ω3是压电片输出的应变信号频率，由于两根悬臂梁组成同步共振系统，m/n为频率的放大倍数，m、n均为整数，所以这路信号可得到的频率变化量ωca＝ω3/(m/n)-ω1，另外一路ω4是侧电极输出的电流信号的频率，这路信号能得到的频率变化量ωcb，ωcb＝ω4-ω1；(6)、对得到的ωca、ωcb进行数据处理，计算得到因质量扰动得到的频率变化量为ωc＝(ωca+ωcb)/2；2CN107817045A权利要求书2/2页求出了ωc之后，通过计算出质量变化mc，其中ωc为主动梁单元频率变化量，L为矩形悬臂梁的长度，E为杨氏模量杨氏模量，I为惯性矩，ρc为悬臂梁材料的密度，A为梁的横截面积，λ为与谐振模态有关的常数可取λ＝1.857，mc为悬臂梁所受